【转】C语言之预处理

发表于 2017/1/10 15:05:30 阅读（1669）

　这是2016年的最后一篇博客，年初定的计划是写12篇博客，每月一篇，1/3转载，2/3原创，看来是实现不了了！ -- 题外话。今天要写的东西是C语言中的预处理器，我们常说的宏定义的用法。为什么要写这个东西呢，原因很简单：之前对预处理了解不深。如果你对C语言只是了解或者是仅仅在大学中学习过C语言，说到预处理估计你只知道下面这条语句：（因为我就是这种情况，哈哈！）

1 #define name value

　　我再学习预处理直接的驱动力是看了php的源码，开头一大推的宏定义器，之前'掌握'的一点#define的用法太少了，根本看不懂源码中宏的处理逻辑和运行的路径。所以再学习预处理器很有必要，里面好多东西其实并不难，只是你没有接触到，等你学习了，就感觉容易了。

　　一、宏定义和使用中的坑

　　这小节采用先给代码再说明的形式，这样你可以看看每个代码的运行结果是否和你预期的一致！

　　宏是什么，宏就是#define机制把指定的参数替换的文本中，这样的实现方式就是宏。使用宏定义可以抽出频繁调用的函数，加快执行的速度。定义如下：#define name(参数) 执行体... “参数”可以是使用逗号分隔的参数列表，这些参数可以被应用到执行体中，必须要注意的是“参数”的左括号必须和宏名字紧邻，不然编辑器会报错，或者被解释成执行体中的一部分。比如你写了一个 TEST(a) a * a 调用执行的时候写上 TEST(1) 实际执行的是替换后的 1 * 1。

　　凡事都有利弊，宏定义固然使用方便，并且有着函数不可比拟的执行速度，但是宏定义中存在不少的坑，下面就说一说这个坑。看下面的代码：

 1 #include <stdio.h>
 2 
 3 #define TEST(a) a * a
 4 
 5 int main() {
 6     int b = TEST(2);
 7     int c = TEST(1+2);
 8     printf("b=%d, c=%d", b, c);
 9     printf("\n\n");
10 }

　　没有执行的情况下，你感觉得到的结果是多少呢！好多人不加思索的说：b=4，c=9。如果真是这样，就不存在坑了，实际打印出来是：b=4, c=5 ，为什么c的值和预想的会有偏差，其实你把执行体中的值替换一下试试，就不难发现问题了，当输入1+2的时候，宏替换成了 1+2*1+2，当然就是5了。好了明白了，那你学会了吗？学会了再看一个：

 1 #include <stdio.h>
 2 
 3 #define TEST(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
 4 
 5 int main() {
 6     int zyf = 1;
 7     int abc = 2;
 8     int ret = TEST(zyf++, abc++);
 9     printf("zyf=%d,abc=%d,ret=%d", zyf, abc, ret);
10     printf("\n\n");
11 }

　　输出多少呢，如果是 zyf=2,abc=3,ret=3 就错了，实际结果是：zyf=2,abc=4,ret=3 。道理和前面的一样，只看替换后的结果才能真正看到答案。

　　这样的问题防不胜防，怎样才能解决呢，其实办法很简单，错误的原因是执行的顺序和我们预想的不一样，那添加小括号应该可以解决这种问题。比如 (a) * (a)。这样其实也不是最万全的办法，比如你看这个：ADD(a) (a) + (a) ，如果这样调用：ADD(2) * 5 ，这样又不行了，被替换成了 (a) + (a) * 5 执行顺序和预想的还是不一样，所以还要在最外层加上括号：((a) + (a))，这样就解决了。

二、预定义符号

　　C语言中有几个预定义的符号，还是有必要和大家说上一说，先看一段代码：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #define VAR_DUMP printf( \
 4     "[\n \tfile:%s\n" \
 5     "\tline:%d\n" \
 6     "\ttime:%s %s\n" \
 7     "\tvalue:%d\n]", \
 8     __FILE__, __LINE__, __DATE__, __TIME__, value \
 9 )
10 int main() {
11     int value = 1;
12     VAR_DUMP;
13     printf("\n\n");
14 }

　　是不是和你在大学学习的有点不一样，最简单的宏定义可以使用#define name value 的方式，当然也可以把值写成一个函数，运行的时候直接替换函数。这个宏定义是封装了调试方法，是打印变量内容能像PHP中var_dump()或者print_r()函数一样，打印出变量的内容。

从这段代码中能学习到几点内容：

1、使用#define可以使任何文本替换到程序中，在主程序中你可以随意使用VAR_DUMP。

2、宏定义不以分号结束，如果非常长的宏定义，你可以在末尾加上反斜杠来分行，保持代码易读性。

3、你可以定义频繁调用的函数为宏定义，这样可以加快执行的速速，具体原因后面会说到。

4、C语言有几个预定的符号需要我们知道，很多时候特别有用：

　　__FILE__ 预编译的文件名

__LINE__ 文件当前行的行号（执行到这一行）

　　__DATE__ 文件编译的日期

　　__TIME__ 文件编译的具体时间

__STDC__ 是否遵循ANSI C (不常用)

最后附上运行结果，如图：

三、宏替换的过程

　　在程序的编译阶段，宏先被执行替换，一般要涉及下面的步骤：

　　1、调用宏的地方看是否进行了 #define定义，如果是就进行替换。

　　2、把替换的文本信息插入到替换的位置，其中参数被替换成了实际的值。

　　3、#define可以包含其他定义的#define定义的东西，需要注意的是不能出现递归的情况。

　　因为替换存在临近字段自动结合，所以可以使用一些巧妙的方案：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 
 4 #define VAR_DUMP(A,B)\
 5    printf("Value of " #B " is " A "\n", B)
 6 
 7 int main(){
 8     int x = 1;
 9     VAR_DUMP("%d", x+2);
10 }

四、条件编译和其他宏用法

　　在大型的C程序中你能看到许多的条件编译，比如可以根据当前的环境加载不同的宏配置，或者在编译的时候加上直极预设的编译条件。这些东西的实现都离不开条件编译。

　　1、条件嵌套，#if #endif 原型：

1 #if condition
2     执行体
3 #endif

可以根据condition来确定执行体要不要执行，以此来控制在不同的环境下编译成不同的系统。看下面的代码，当把DEBUG定义成非0值时，MAX宏定义是存在的，当定义成0时，程序就会报错。

 1 #include <stdio.h>
 2 
 3 #define DEBUG 0
 4 #if DEBUG
 5     #define MAX(a) ((a) * (a))
 6 #endif
 7 
 8 int main() {
 9     int b = MAX(2);
10     int c = MAX(1+2);
11     printf("b=%d, c=%d", b, c);
12     printf("\n\n");
13 }

当然#if 也可以与#elif嵌套使用，这样就和我们在函数里使用if else一样了，下面是一段php源码中的一段话，你能看到编译php指定不同的参数，检查不同的环境等等都可以通过预处理中的条件编译开完成。

 1 #ifndef PHP_H
 2     #define PHP_H
 3 
 4     #ifdef HAVE_DMALLOC
 5         #include <dmalloc.h>
 6     #endif
 7 
 8     #define PHP_API_VERSION 20100412
 9     #define PHP_HAVE_STREAMS
10     #define YYDEBUG 0
11 
12     #include "php_version.h"
13     #include "zend.h"
14     #include "zend_qsort.h"
15     #include "php_compat.h"
16     #include "zend_API.h"
17 
18     #undef sprintf
19     #define sprintf php_sprintf
20 
21     /* PHP's DEBUG value must match Zend's ZEND_DEBUG value */
22     #undef PHP_DEBUG
23     #define PHP_DEBUG ZEND_DEBUG
24 
25     #ifdef PHP_WIN32
26     #    include "tsrm_win32.h"
27     #    include "win95nt.h"
28     #    ifdef PHP_EXPORTS
29     #        define PHPAPI __declspec(dllexport)
30     #    else
31     #        define PHPAPI __declspec(dllimport)
32     #    endif
33     #    define PHP_DIR_SEPARATOR '\\'
34     #    define PHP_EOL "\r\n"
35     #else
36     #    if defined(__GNUC__) && __GNUC__ >= 4
37     #        define PHPAPI __attribute__ ((visibility("default")))
38     #    else
39     #        define PHPAPI
40     #    endif
41 
42     #    define THREAD_LS
43     #    define PHP_DIR_SEPARATOR '/'
44     #    define PHP_EOL "\n"
45     #endif
46 
47     #ifdef NETWARE
48         /* For php_get_uname() function */
49         #define PHP_UNAME  "NetWare"
50         #define PHP_OS      PHP_UNAME
51     #endif
52 
53     #if HAVE_ASSERT_H
54         #if PHP_DEBUG
55             #undef NDEBUG
56         #else
57             #ifndef NDEBUG
58                 #define NDEBUG
59             #endif
60         #endif
61         #include <assert.h>
62 
63     #else /* HAVE_ASSERT_H */
64         #define assert(expr) ((void) (0))
65     #endif /* HAVE_ASSERT_H */
66 
67     #define APACHE 0
68     #if HAVE_UNIX_H
69         #include <unix.h>
70     #endif
71 
72     #if HAVE_ALLOCA_H
73         #include <alloca.h>
74     #endif
75 
76     #if HAVE_BUILD_DEFS_H
77         #include <build-defs.h>
78     #endif
79     . . .

　　2、是否已经被定义

被定义：#if define() 或者是#ifdef

　　不被定义：#if !define() 或者是#ifndef

　　前者的写法虽然没有后者精炼，但是前者有更多的使用场景，比如下面这种，可以进行嵌套执行。

1 #if defined(DEBUG)
2      #ifdef DEBUGTWO
3            #define TEST(a) a * a
4      #endif
5 #endif

　　3、移除一个宏定义,当不再使用一个宏定义后，可以使用undef来把不需要的宏移除，原型：

1 #undef name

五、宏命名规则和与函数区别

　　从前面的使用中我们可以看到，宏的使用规则和函数真是一模一样，但是本质上还是有区别的，在使用中怎样区别宏和函数，涉及到代码规范和代码的可读性问题。标准的宏使用应该使用大写字母，这样在程序中任意地方使用宏都会知道这是一个宏定义。比如前面用到的 #define TEST(a) ((a) * (a))。

　　宏与函数区别有以下几点：

　　1、执行速度上，宏定义更快，函数因为需要调用栈，存在调用，返回，保存现场的系统开销，所以比宏要慢。

　　2、代码长度上，宏在代码长度上实际是增长的，每一处的使用宏都会把name替换成宏内容如果大量使用，会是代码显著增长，函数代码只有一份，比较节省代码空间。

　　3、参数类型上，宏没有参数类型，只要可以使用都行。函数不一样，函数有参数类型确定性。正式因为这样，有些宏能巧妙的利用这一点，完成函数不能完成的任务，看下面代码（书上看的），巧妙的利用传递类型无限制的特点自动开辟想要的各种类型空间：

1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 
4 #define CREATE_P(nums, type) ((type *) malloc((nums) * sizeof(type)))
5 
6 int main(){
7     int nums = 2;
8     CREATE_P(nums, int);
9 }

　　4、宏定义和函数的使用场景，宏定义一般在程序的开头，函数转化成宏定义一定要考虑成本问题，短小精炼的函数转化成宏使用时最好的，功能负责的函数转化成宏就有点得不偿失了。

六、文件包含

1、本地文件包含和库文件包含　　

　　文件包含在大型系统中必然会用到，大型系统宏定义巨多无比，不可能把所有的宏定义都复制到每个文件中，那么文件包含就能解决这种问题。

　　实际上编辑器支持两种文件包含，一种是我们经常会用的库文件的包含，比如上面我们看到的：#include <stdio.h>，还有一种是本地文件包含，说白了就是我们自己写的文件，包含的原型如下：

1 #include <filename>
2 #include "filename"

　　这两种方式都可以进行文件的包含，不同的是第一种是库文件的包含，标准的C库函数都会以.h扩展名结尾，第二种是本地文件包含，当编辑器看到第二种方式时，优先查找本路径下得本地库文件，如果没有找到就会像包含库文件那样在指定的路径下去找，这时第二种和第一种就差不多了。第二种包含方式在编码习惯上也是比较好的，别人看你的代码很容易知道这个文件是库函数还是你自己写的。

1、嵌套文件包含

　　大型系统中不仅有大量的文件包含，还会有大量的嵌套文件包含，看下面的例子：

　　a.h，b.h，c.h，define.c文件，其中a,b,c,define文件的内容如下：

 1 a.h:
 2 #include "c.h"
 3 void var_dumpa(){
 4     test obja;
 5     obja.a[1] = 2;
 6     printf("obja.a[1]: %d\n", obja.a[1]);
 7 }
 8 
 9 b.h:
10 #include "c.h"
11 void var_dumpb(){
12     test objb;
13     objb.a[1] = 2;
14     printf("objb.a[1]: %d\n", objb.a[1]);
15 }
16 
17 c.h:
18 #include <stdlib.h>
19 #include <stdio.h>
20 
21 typedef struct test{
22     int a[10];
23 }test;
24 
25 define.c:
26 #include <stdio.h>
27 #include "a.h"
28 #include "b.h"
29 
30 int main() {
31     var_dumpa();
32     var_dumpb();
33     printf("\n\n");
34 }

　　ab文件包含c文件，define.c文件文件引用a,b文件后会引发一个错误：typedef struct test类型错误，因为c.h文件被包含了两次，像这种情况在大型系统中会经常遇到，或者说，你会发现重复引用库文件也不会报错，由此可见，库文件一定是使用了解决办法。其实解决这种错误的方案就是采用条件编译，当这个文件引入到另一个文件中后我们可以设置一个宏定义，比如：

1 #include <stdlib.h>
2 #include <stdio.h>
3 
4 #ifndef PATH_C_H
5     #define PATH_C_H 1
6     typedef struct test{
7         int a[10];
8     }test;
9 #endif

因为每次编译编译器都会读入整个头文件，如果把所有的文件都加上这个条件编译的话，那交叉引用文件产生的重复宏编译问题就解决了，运行如下：